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在过去的几十年里,随着我们中的许多人在网上花费大量时间,现实世界似乎变得更加广阔。 然而,在理论物理学的一个领域,情况似乎正朝着相反的方向发展。 在过去的二十年里(虽然这篇文章写于2024年,但仍然值得一读),弦理论家一直在认为,我们生活的时间和空间,包括我们自己,可能只是一种幻觉,一种由“某种现实”产生的全息图。 而这个现实缺乏我们所感知的世界的一个关键特征:第三维度。 普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达塞纳教授在全息原理的发展中发挥了关键作用。 20世纪90年代,马尔达西娜提出了第一个实现全息原理的宇宙学模型。 近日,他在访问剑桥期间接受了笔者的采访。
全息原理源于20世纪最大的科学问题之一:广义相对论和量子力学这两个基本物理理论之间的不相容性。
二十世纪初,阿尔伯特·爱因斯坦发现时间和空间是不可分割的,他将两个时空所形成的结构称为。 他的广义相对论指出,时空本身被大质量物体扭曲,而引力就是这种扭曲的结果。 这就像在蹦床上放一个台球,形成一个凹陷,让附近的弹珠滚进去;同样,大质量物体,如行星,会弯曲时空,导致附近的物体被引力吸引。 根据爱因斯坦的说法,引力不是在空间中传播的东西,而是由时空本身的几何形状引起的。
广义相对论主要描述行星和星系的世界,而量子力学主要关注亚原子尺度,即构成物质的基本粒子领域。 在这个尺度上,质量非常小,引力可以忽略不计。 量子场论是粒子物理学的量子力学描述,它认为基本粒子通过称为规范玻色子的信使粒子传递力:一个基本粒子通过发送一些规范玻色子将力传递给另一个粒子。
图1巨大的物体会扭曲时空。
在二十世纪的发展过程中,电磁力、弱核力和强核力四种基本力的信使粒子都被实验观察到。 为了理论上的一致性,爱因斯坦的理论也应该能够用类似的信使粒子重写。 物理学家将引力信使粒子称为引力子,但我们还没有找到它们的任何痕迹。 更令人沮丧的是,试图在量子场论中描述引力子会导致毫无意义的答案。 “简单地量化重力是行不通的,它会导致数学上的不一致,”Mardasina说。 我们需要一些新的东西。 ”
迄今为止,尚未发现备受期待的量子引力新理论。 弦理论或“弦理论家族”是一个强有力的竞争者——因为弦理论实际上是逻辑上自洽理论的集合。 弦理论的中心思想是将基本粒子视为微小的振动弦,这为我们提供了一种在简单的量子引力下解决数学问题的方法。 弦理论作为一种以其美感吸引众多理论家的数学理论,其缺点是它不能对世界给出完整的描述,许多物理量还无法描述。 此外,弦理论还没有经过实验验证,事实上也无法验证。 然而,正是弦理论为马尔达西娜提供了量子引力之谜的线索:将引力视为量子全息图产生的幻觉的错觉。
图2量子力学很好地描述了亚原子世界。
广义相对论和量子力学之间的矛盾不会给大多数实际应用带来麻烦。 物理学家通常研究量子效应不明显的大尺度世界,或粒子较轻且引力影响较小的小尺度世界。 然而,在一种特殊情况下,这两种理论之间的冲突变得尤为明显:当大量质量集中在空间的微小区域时,就会形成黑洞。 黑洞产生的引力非常强大,连光都逃不出来,所以我们在研究黑洞时不能忽视引力的影响。 同时,黑洞的小尺度也意味着量子效应的存在。 因此,为了解释黑洞中的现象,我们确实需要一个统一的量子引力理论。
黑洞是全息原理的原始理论**。 它们有一个无法返回的边界,称为事件视界。 一旦你越过这个边界,你就会被吸进黑洞,永远无法逃脱。 当你掉进黑洞时,很多信息会随着你一起消失。 这些信息不仅包括你的DNA和你最好的一两个想法,还包括你血管中血细胞的无数组合方式,以及你脑海中所有混乱的想法。 然而,在黑洞的世界里,事情看起来要简单得多。 经典物理学假设没有任何东西可以逃脱黑洞,黑洞可以完全用三条信息来描述:它的质量、电荷和旋转速度。 因此,当你坠入黑洞时,你描述它所需的所有信息都会被吸入黑洞的这三个参数中——你的坠落使宇宙变得简单一些。
图3以银河系为背景的模拟黑洞。
这种复杂性的降低通常是物理学家关心的问题,因为它违反了物理学最基本的定律之一:热力学第二定律。 热力学第二定律指出,事情永远不会变得更简单。 描述系统所需的信息总量由称为熵的物理量来衡量。 在经典物理学中,熵是为热力学系统定义的,例如在阳光下逐渐融化的冰块。 经典熵测量系统中热量(或能量)的耗散程度。
然而,能量与激发的原子有关(在冰中,水分子以固定的晶格有序排列,而在液态水中,它们四处移动),因此熵也是衡量系统中无序程度的指标。 系统中的无序程度与信息有关:冰晶中水分子的周期性排列可以用一句话来描述,但对于液态水,则需要提供每个分子的精确位置,这涉及到大量的信息。 因此,熵与热力学和信息有关。
热力学第二定律指出,熵永远不会减少。 在热力学条件下,这意味着系统努力达到能量完全耗散的平衡状态。 在信息的上下文中,这意味着事情不会自动变得更简单。 从经典的角度来看,黑洞不是热物体,描述起来非常简单,所以应该没有熵。 当你掉入黑洞时,你的正熵变成了黑洞的零熵,这违反了热力学第二定律。
当注意到这个潜在的问题时,一些物理学家不得不不情愿地接受这样一个事实,即热力学第二定律可能并不像我们想象的那么基本。 然而,有一位物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)不愿意轻易放弃。 2024年,伯肯斯坦发现了熵与斯蒂芬·霍金发现的黑洞性质之间的关系。 霍金一直在思考黑洞的事件视界,它就像一个包裹一定体积空间的蛋壳——它是一个表面,你可以测量它的面积。 史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)已经证明,事件视界的面积永远不会缩小,无论你对黑洞做什么,或者你在黑洞中放了什么,事件视界的面积只会增加,就像熵一样。
图4热力学第二定律为全息原理铺平了道路。
这种与热力学的类比最初被认为是纯属巧合,但贝肯斯坦提出了一个颇具争议的解释:“贝肯斯坦认为你可以把事件视界的面积想象成一种熵,”马尔达西娜解释说。 这个想法起初并不清楚,但当斯蒂芬霍金在2024年发现黑洞可以辐射能量(现在称为霍金辐射)时,这个想法变得更加清晰。 换句话说,黑洞是炽热的物体,所以它们必须有熵。 “将贝肯斯坦的最初想法与霍金辐射相结合,我们可以计算出黑洞的熵确实等于在一定长度尺度上测量的黑洞面积——普朗克单位。 由于普朗克单位非常小,因此黑洞的熵是一个相当大的值。 “虽然黑洞占据了三维空间,但其信息内容似乎是其二维事件视界的一个特征。
你可能认为黑洞是非常奇怪的东西,但物理学家Gerardus Ter Hoft'T Hooft)和伦纳德·萨斯金德(Leonard Susskind)更进一步,考虑了普通空间区域中的信息量。无论是书页、大脑的神经元,还是通过光纤通过互联网传输的光子,信息都以物理形式存在。 这种物理形式涉及能量。 由于能量等同于质量(回想一下爱因斯坦的 e=mc),将信息压缩到有限的空间区域相当于将质量压缩到其中。 如果你试图将太多的质量信息挤进去,你最终会得到一个黑洞,所以非黑洞的空间有限区域中的信息量是有限的。 Te Hoft和Susskind计算了这个极限,发现它的测量方式与黑洞相同,都是通过区域边界的表面积来测量的。
“这听起来可能非常简单和幼稚,但在我们对世界的所有其他描述中,变量随着体积的增加而增加,”马尔达西纳说。 例如,如果我们想描述一个空间中的电磁场,我们会将这个体积分成许多部分,并描述每个部分的电磁场。 “如果将区域的大小增加一倍,则还应将分区数量增加一倍,从而增加描述所需的信息量。 根据这种直觉,信息应该随着体积的增加而增加,而不是随着面积的增加而增加,正如全息原理所描述的那样。 如果全息原理是正确的,那么我们的三维物理学方法就是错误的。 我们应该能够使用更简化的物理学版本,一个取决于面积而不是体积的物理学版本。 这就引出了一个令人困惑的问题,即第三维是否是真实的,或者它是否只是一种幻觉,就像在全息图中创建的三维图像一样。
到目前为止,还没有人找到一个精确的物理学公式来描述我们三维世界的二维版本。 然而,在2024年,Suskander重新定义了以全息原理为中心的弦理论。 然后在2024年,29岁的胡安·马尔达西纳(Juan Maldasina)首次对全息宇宙进行了具体描述。
马尔达西娜的宇宙并不完全符合我们实际生活的宇宙:它是一个模型,一个有自己完整物理规则的“玩具”宇宙。 由于其中发生的所有物理现象都可以用仅在边界上定义的物理理论来描述,因此这个玩具宇宙是一个全息图。 更重要的是,在这个宇宙中,引力和量子力学之间的难题已经完全解开了:边界上定义的理论是纯粹的量子,它不包含引力,但生活在其中的生物仍然能够感受到引力。 在这个宇宙中,重力只是全息图幻觉的一部分。
为了了解马尔达西纳的玩具世界,我们首先需要了解地图制作的世界。 为了在一张平坦的纸上显示球体,我们需要将球体切开并压平,这不可避免地会带来一些失真。 在传统的地球墨卡托投影中,这种畸变在两极附近最为严重。 当你看地图时,格陵兰岛看起来和非洲一样大,但实际上它比非洲小 14 倍以上。 此外,如果你在地图上投影从伦敦到悉尼的最短路径,你得到的不是一条直线,而是一条曲线。 在这样的地图上,直线不对应于最短路径。
图5地球的墨卡托投影。 红色圆盘实际上具有相同的面积,但它们在地图上的差异是地图失真的一个很大迹象。
M.C.埃舍尔(M.C. Escher)的著名木刻版画《圆圈极限III》(Circle Limit III)展示了马尔达希娜宇宙地图的二维版本。 与墨卡托投影类似,这里也存在一些失真。 在埃舍尔的地图中,两点之间的最短路线不是连接它们的直线,而是与圆盘边界成直角相交的弧线。
图6M.C. 埃舍尔圆极限 III. 最短距离的路径以白色表示。
如果你用这个新指标来测量鱼的大小,你会发现与外观相反,它们并没有随着它们越来越接近边界圈而变得越来越小,而且实际上大小相等。 就像在地球表面行走的旅行者不会意识到墨卡托投影所显示的扭曲一样,生活在这个所谓的双曲面世界的人也永远不会注意到鱼的大小有任何扭曲。 更重要的是,为了到达边界圈,双曲线必须穿过无限数量的相同大小的鱼的副本。 换句话说,它必须跨越无限的距离。 对于双曲线,边界圆是无限远的。
与双曲面图不同,“真正的”双曲面几乎不可能绘制,因为它严重扭曲。 双曲面具有数学家所说的负曲率。 这个“平面”的非常小的区域看起来像马鞍:在一个方向上,它们看起来像山脊的顶峰;在另一个方向,它们看起来像山谷的底部。
对于像我们这样的外部观察者来说,这个奇怪的二维世界有一个有趣的特性:尽管根据新的指标,它们的范围是无限的,但我们可以看到它们的边界——这正是我们应用全息原理所需要的,全息原理用边界来描述空间区域的内部。 在马尔达西纳的宇宙模型中,他使用双曲面的三维模拟加上第四维时间,形成了一个名为Anti de Sitter的空间模型,该模型以荷兰物理学家William de Sitter的名字命名。
反德西蒂亚的空间与我们实际生活的世界截然不同,那里的时间和空间以奇怪的方式扭曲,但这并不妨碍我们为它创造一套物理规则。 您所需要的只是一些基本概念,例如基本粒子和力,以及描述它们如何相互作用的数学定律。 Maldasina使用弦理论的一个版本来描述他的模型宇宙中的物理现象。 你还记得,弦理论包括量子力学和引力,所以生活在玛达希娜模型宇宙中的生物会以与我们类似的方式感受引力。
图7一个全息宇宙。
Mardasina的关键发现是,描述宇宙内部的弦理论在宇宙的边界上留下了一种“阴影”:你可以在边界上定义量子场论,使得内部的每个基本粒子在边界上都有一个对应的粒子,内部基本粒子之间的每一次相互作用都精确地对应于边界粒子之间的相互作用。 现在你可以完全用边界理论来描述它,例如,把苹果扔进去的动作。 这意味着您甚至可以完全忽略内心世界而不会丢失任何信息 - 这个世界是真正的全息图。
从量子引力的角度来看,关键是边界上的理论是我们非常熟悉的粒子物理学的量子理论,这与自然界中用来描述亚原子粒子过程的理论非常相似。 它们只涉及小尺度,因此不包括重力。 然而,这个边界上的量子理论可以完全描述内在世界的量子引力的神秘理论。 这是我们第一次能够完整地描述量子时空。
到目前为止,Mardasina的模型就是这样。 我们不知道我们生活的宇宙是否是全息图,我们仍然没有一个适用于我们世界的引力的一致的量化描述。 Maldasina模型中的负曲率假设至关重要,但我们的宇宙在观测中显示出轻微的正曲率。 “我们不知道在正曲率的情况下是否有类似的描述,”Mardasina说。 人们正在探索想法,但我们还没有一个完整的答案。 ”
但是,如果事实证明全息原理确实适用于我们生活的世界,那意味着什么呢?这是否意味着我们和时空只是一种幻觉?“是的,你可以说我们是一种幻觉,或者是一种新兴现象,”马尔达西娜说。 如果我们生活在这样的宇宙中,那么在某种意义上,我们就是某种近似的描述。 但这在物理学中并不是一个新概念。 例如,湖面似乎是一个明确的表面,昆虫可以在上面行走。 但是,如果你用足够强大的显微镜观察它,你会看到有分子在移动,没有明确的表面。 时空的情况可能相似,在绝对意义上没有明确定义,但我们太大了,我们无法感知它。 就像湖面上的昆虫一样,我们观察世界的眼睛太粗糙了,无法揭示时空的真实本质。 无知是幸福,虽然事物的哲学方面有无穷无尽的乐趣,但从日常现实的角度来看,我们是否生活在全息图中可能并不重要。 ”
然而,对于马尔达西纳本人来说,他真的相信全息原理是真实的吗?他回答说:“嗯,我把这个想法看作是一个模型,但它是一个对量子时空有完整数学描述的模型。 因此,我们应该认真对待它,直到有人反驳它,或者想出一个更好的主意。 ”
作者:Marianne Freiberger
翻译: kcollider(
审稿人:Satoshi Xiao。
原文链接:虚幻宇宙
译文中表达的观点仅代表作者的观点。
它不代表中国科学院物理研究所的立场。
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